DE102009052263B4 - Fiber composite material, production of a textile fabric for this purpose, and components produced therefrom and their use - Google Patents
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Abstract
Flächiges Bauteil (20), wenigstens teilweise hergestellt aus einem Faserverbundmaterial mit einer Matrix und Fasern, die in Form wenigstens eines aus textilen Liniengebilden (12, 14) hergestellten textilen Flächengebildes (10) in der Matrix eingebettet sind, wobei ein Teil der Liniengebilde (14) im Vergleich zu den restlichen Liniengebilden (12) ein erhöhtes mechanisches Dämpfungsvermögen besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Liniengebilde (14) mit dem erhöhten mechanischen Dämpfungsvermögen nur in bestimmten Bauteilflächenbereichen (22) vorgesehen sind oder in diesen Bauteilflächenbereichen (22) einen wesentlich höheren Anteil besitzen als in anderen Bauteilflächenbereichen.Sheet-like member (20), at least partially made of a fiber composite material having a matrix and fibers embedded in the matrix in the form of at least one textile fabric (12, 14), wherein a part of the line formations (14 ) has an increased mechanical damping capacity compared to the remaining line formations (12), characterized in that the line formations (14) with the increased mechanical damping capacity are provided only in certain component surface areas (22) or in these component area areas (22) have a significantly higher proportion own than in other component surface areas.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faserverbundmaterial mit einer Matrix und Fasern, die in Form wenigstens eines aus textiler) Liniengebilden hergestellten textilen Flächengebildes in der Matrix eingebettet sind. Ferner betrifft die Erfindung aus einem derartigen Faserverbundmaterial hergestellte Bauteile und deren Verwendung, sowie ein Verfahren zur Herstellung des textilen Flächengebildes.The present invention relates to a fiber composite material having a matrix and fibers which are embedded in the matrix in the form of at least one textile fabric made of textile line formations. Furthermore, the invention relates to components made of such a fiber composite material and their use, as well as a method for producing the textile fabric.
Der Begriff „textiles Liniengebilde” bezeichnet hier ganz allgemein eine langgestreckte (insbesondere quasi-endlose), aus einer oder mehreren Fasern gebildete Struktur. Darunter fällt insbesondere jede Art von Garn bzw. Faden sowie ein so genanntes „Roving”, also ein Bündel von quasi-endlosen, unverdrehten Fasern.The term "textile line structure" here generally refers to an elongated (in particular quasi-endless) structure formed from one or more fibers. This includes in particular any type of yarn or thread as well as a so-called "roving", ie a bundle of quasi-endless, untwisted fibers.
Der Begriff ”textiles Flächengebilde” bezeichnet hier ganz allgemein eine aus solchen Liniengebilden hergestellte, flächig ausgedehnte Struktur. Insbesondere fällt darunterjede Art von Gewebe, Geflecht oder Gelege.The term "textile fabric" refers generally to an extensively extended structure made from such line formations. In particular, it includes any type of tissue, braid or scrim.
Zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils (Faserverbundbauteil) ist es bekannt, ein derart hergestelltes textiles Flächengebilde als Fasermaterialhalbzeug vorzufertigen und dieses Halbzeug durch Infiltration mit zunächst flüssigem oder zähflüssigem Matrixmaterial (z. B. Kunstharz) und anschließendem Aushärten (z. B. thermisch) zum Faserverbundbauteil weiterzuverarbeiten.For producing a fiber-reinforced component (fiber composite component), it is known to prefabricate a textile fabric produced in this way as a semifinished fiber material and this semifinished product by infiltration with initially liquid or viscous matrix material (eg synthetic resin) and subsequent hardening (eg thermally) to the fiber composite component further processing.
Faserverbundmaterialien werden in vielen Bereichen der Industrie als Konstruktionswerkstoff verwendet. Die Vorteile liegen unter anderem in der hohen spezifischen (gewichtsbezogenen) Steifigkeit und Festigkeit und dem hohen Energieabsorptionsvermögen. Durch gegenseitige Wechselwirkungen zwischen der Matrix und den darin eingebetteten Fasern erhält ein Faserverbundmaterial höherwertigere Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.Fiber composite materials are used as a construction material in many areas of industry. The advantages include the high specific (weight) stiffness and strength and the high energy absorption capacity. Mutual interactions between the matrix and the fibers embedded therein give a fiber composite superior properties than any of the two components involved individually.
In vielen Anwendungsfällen besteht ein Bedürfnis für ein Faserverbundmaterial bzw. ein daraus hergestelltes Bauteil, welches besonders gute mechanische Dämpfungseigenschaften besitzt, etwa zur Verminderung von Vibrationen und/oder abgestrahltem Schall während des Einsatzes in entsprechend vibrations- bzw. schallbehafteten Installationsumgebungen (z. B. in Luftfahrzeugen).In many applications, there is a need for a fiber composite material or a component produced therefrom, which has particularly good mechanical damping properties, such as to reduce vibration and / or radiated sound during use in correspondingly vibration or sound installation environments (eg aircraft).
Eine derzeit übliche Verfahrensweise zur Erhöhung der Dämpfung von Faserverbundmaterialien ist das nachträgliche Aufbringen von dämpfenden Belägen. Dies bedeutet jedoch einen zusätzlichen Arbeitsschritt in der Fertigung. Häufig sind außerdem weitere Zwischenschritte erforderlich, wie z. B. das Zuschneiden von Dämpfungsbelägen auf Maß, da diese häufig aufgrund von anderen Einbauten oder Aussparungen nicht einfach vollflächig an einem flächig ausgedehnten Faserverbundmaterial verlegt werden können. Bei d1er Herstellung von flächigen Bauteilen, z. B. Paneelen, stellt die oftmals erhebliche Picke eines benötigten Dämpfungsbelages einen in der Praxis oftmals gravierenden Nachteil dar, weil damit der benötigte Bauraum entsprechend vergrößert wird und zusätzliches Gewicht anfällt.A currently common procedure for increasing the damping of fiber composite materials is the subsequent application of damping coatings. However, this means an additional step in production. Frequently, more intermediate steps are required, such. As the tailoring of damping pads to measure, as they often can not be laid over a full area of a flat expanded fiber composite material due to other installations or recesses. In d1er production of sheet-like components, eg. As panels, the often considerable Picke a required damping lining is often a serious drawback in practice, because thus the required space is increased accordingly and additional weight is required.
In dem Fachartikel ”Dipa Ray et al: Modification of the dynamic damping behaviour of jute/vinylester composites with latex interlayer, in: Composits, Part B 38 (2007), Seiten 380–385” wird über Versuche einer Erhöhung der inneren Dämpfung eines Jute/Vinylester-Faserverbundmaterials durch Einbringung von Zwischenschichten aus mit Latex beschichteten Jutelagen in das Grundmaterial (Jute/Vinylester-Verbund) berichtet. Nachteilig sind hierbei jedoch neben dem fertigungstechnischen Aufwand zur Herstellung und Einbringung der zusätzlichen Dämpfungsschichten zum einen die nicht durchgängige Verbesserung der Dämpfungseigenschaften (im ganzen Volumen) und zum anderen die Gefahr einer Delamination der Lagenstruktur an den in der Matrix geschaffenen Grenzflächen.The paper "Dipa Ray et al: Modification of the Dynamic Dampening Behavior of Jute / Vinyl Ester Composites with Latex Interlayer, in: Composites, Part B 38 (2007), pages 380-385" is about attempts to increase the internal damping of a jute / Vinylester fiber composite reported by incorporation of intermediate layers of latex-coated Jutelagen in the base material (jute / vinyl ester composite). The disadvantage here, however, in addition to the manufacturing effort for the production and introduction of the additional damping layers on the one hand, the non-continuous improvement of the damping properties (in the whole volume) and on the other hand, the risk of delamination of the layer structure at the interfaces created in the matrix.
Die Druckschrift
Aus der Druckschrift
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg zur Verbesserung der mechanischen Dämpfungseigenschaften von Faserverbundmaterialien der eingangs genannten Art und daraus hergestellten Bauteilen aufzuzeigen, wobei insbesondere eine einfache Fertigung von flächig ausgedehnten Bauteilen ermöglicht werden soll, ohne deren Bauraumerfordernisse nachteilig zu erhöhen.It is an object of the present invention to provide a way to improve the mechanical damping properties of fiber composite materials of the type mentioned above and components produced therefrom, in particular a simple production of flat-extended components should be made possible without adversely increasing their space requirements.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung ist ein flächiges Bauteil vorgesehen, wenigstens teilweise hergestellt aus einem Faserverbundmaterial mit einer Matrix und mit Fasern, die in Form wenigstens eines aus textilen Liniengebilden hergestellten textilen Flächengebildes in der Matrix eingebettet sind, wobei ein Teil der Liniengebilde im Vergleich zu den restlichen Liniengebilden ein erhöhtes mechanisches Dämpfungsvermögen besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Liniengebilde mit dem erhöhten mechanischen Dämpfungsvermögen nur in bestimmten Bauteilflächenbereichen vorgesehen sind oder in diesen Bauteilflächenbereichen einen wesentlich höheren Anteil besitzen als in anderen Bauteilflächenbereichen.According to a first aspect of the invention, there is provided a sheet member at least partially made of a fiber composite material having a matrix and having fibers embedded in the matrix in the form of at least one textile fabric made of textile linear structures, a part of the line structures being compared to the rest of the lines has increased mechanical damping capacity, thereby characterized in that the line formations are provided with the increased mechanical damping capacity only in certain component surface areas or in these component surface areas have a much higher proportion than in other component surface areas.
Die Grundidee der Erfindung ist somit eine Erhöhung der inneren Dämpfung des Faserverbundmaterials durch Einbringung von zusätzlichen, ein erhöhtes mechanisches Dämpfungsvermögen besitzenden textilen Liniengebilden in das textile Flächengebilde (bzw. durch Ersatz eines Teils der herkömmlichen textilen Liniengebilde durch stärker dämpfende textile Liniengebilde in dem textilen Flächengebilde).The basic idea of the invention is therefore to increase the internal damping of the fiber composite material by introducing additional textile line structures which possess increased mechanical damping capacity into the textile fabric (or by replacement of a part of the conventional textile line structures by more strongly attenuating textile line structures in the textile fabric). ,
Die Erfindung ermöglicht somit in einfacher Weise eine Erhöhung der inneren Dämpfung von an sich schwach gedämpften Faserverbundmaterialien.The invention thus makes it possible in a simple manner to increase the internal damping of weakly attenuated fiber composite materials.
Mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Anteil (max. 50%) an Liniengebilden eines erhöhten mechanischen Dämpfungsvermögens lassen sich im Einsatz des Faserverbundmaterials bzw. eines daraus hergestellten Bauteils vorteilhaft Vibrationen und abgestrahlter Schall verringern. Die Fertigung des Faserverbundmaterials erfordert in der Praxis keinen nennenswerten Mehraufwand. Bei der ohnehin erforderlichen Herstellung des textilen Flächengebildes ist lediglich ein Teil der hierfür verwendeten Liniengebilde durch die Liniengebilde eines erhöhten mechanischen Dämpfungsvermögens zu ersetzen. Vorteilhaft kann damit die innere Dämpfung des Materials durchgängig verbessert werden. Außerdem werden keine nachteiligen Grenzflächen innerhalb der Matrix geschaffen.With the proportion provided according to the invention (up to 50%) of line structures of increased mechanical damping capacity, vibrations and radiated sound can advantageously be reduced when using the fiber composite material or a component produced therefrom. The production of the fiber composite material requires in practice no significant additional effort. In the production of the textile fabric which is required in any case, only a part of the line structure used for this purpose is to be replaced by the line structure of an increased mechanical damping capacity. Advantageously, so that the inner damping of the material can be continuously improved. In addition, no disadvantageous interfaces are created within the matrix.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Flächengebilde ein Gewebe, ein Geflecht oder ein Gelege.In a preferred embodiment, the fabric is a woven fabric, a braid or a scrim.
Die Liniengebilde eines erhöhten mechanischen Dämpfungsvermögens, nachfolgend der Einfachheit halber auch als ”Dämpfungsfäden” bezeichnet, können direkt mit den übrigen Liniengebilden, nachfolgend der Einfachheit halber auch als „Verstärkungsfäden” bezeichnet, verwoben, verflochten bzw. verlegt werden.The lines of increased mechanical damping capacity, also referred to below as "damping threads" for the sake of simplicity, can be interwoven, interlaced or laid directly with the remaining line formations, also referred to below as "reinforcing threads" for the sake of simplicity.
Vibrationen und Körperschall erzeugen in einem derartigen textilen Flächengebilde unter anderem Scherbewegungen, welche durch die eingebrachten Dämpfungsfäden effizient gedämpft werden, etwa durch zusätzliche Reibung zwischen den vorhandenen Fäden und/oder durch Dämpfung im Material der Dämpfungsfäden. Infolgedessen ist mit einer Minderung der Oberflächenschnelle und damit einer Reduzierung des abgestrahlten Schalls zu rechnen.Among other things, vibrations and structure-borne noise in such a textile fabric produce shearing movements which are efficiently damped by the introduced damping threads, for example by additional friction between the existing threads and / or by damping in the material of the damping threads. As a result, a reduction in the surface speed and thus a reduction of the radiated sound can be expected.
Die Dämpfungsfäden wie auch die Verstärkungsfäden können z. B. jeweils als Garn bzw. Faden oder als Roving ausgebildet sein. Der Querschnitt jedes Dämpfungsfadens kann grundsätzlich beliebig gewählt werden, ist jedoch vorzugsweise kreisförmig oder rechteckig (z. B. streifenförmiges Roving).The damping threads as well as the reinforcing threads can z. B. each be designed as a yarn or thread or as a roving. The cross-section of each damping thread can basically be chosen arbitrarily, but is preferably circular or rectangular (eg strip-shaped roving).
Hinsichtlich der Wahl des Fasermaterials der Verstärkungsfäden und des Matrixmaterials kann vorteilhaft auf an sich bekannte Materialien bzw. Materialkombinationen zurückgegriffen werden.With regard to the choice of the fiber material of the reinforcing threads and of the matrix material can be used advantageously known per se materials or combinations of materials.
Als Fasern für die Verstärkungsfäden kommen beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, synthetische Kunststofffasern (z. B. Aramidfasern), Stahlfasern oder Naturfasern in Betracht.Suitable fibers for the reinforcing threads are, for example, glass fibers, carbon fibers, synthetic synthetic fibers (for example aramid fibers), steel fibers or natural fibers.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verstärkungsfäden aus Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern gebildet sind.In one embodiment, it is provided that the reinforcing threads are formed from glass fibers, carbon fibers or aramid fibers.
Als Matrixmaterial sind insbesondere Kunststoffe wie z. B. duroplastische Kunststoffe (Kunstharze) interessant. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um eine Matrix auf Basis von Epoxidharz.As a matrix material, in particular plastics such. As thermosetting plastics (resins) interesting. In a preferred embodiment, it is a matrix based on epoxy resin.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dämpfungsfäden aus Fasern gebildet sind, die eine erhöhte Dichte und/oder eine erhöhte Elastizität und/oder eine viskose oder viskoelastische Eigenschaft besitzen (jeweils betrachtet im Vergleich zum Material der Fasern der Verstärkungsfäden).In one embodiment, it is provided that the damping threads are formed from fibers which have an increased density and / or an increased elasticity and / or a viscous or viscoelastic property (in each case as compared to the material of the fibers of the reinforcing threads).
In dieser Hinsicht können die Dämpfungsfäden beispielsweisejeweils elastische Fasern aus einem vernetzten Polymer (z. B. Gummi, Latex etc.), hergestellt z. B. aus natürlichem oder aus synthetischen Kautschuk, umfassen oder ausschließlich aus solchen Fasern bestehen.In this regard, for example, the damping yarns may each comprise elastic fibers of a crosslinked polymer (e.g., rubber, latex, etc.), e.g. B. of natural or synthetic rubber, or consist exclusively of such fibers.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dämpfungsfäden aus synthetischen Fasern gebildet sind, z. B. schmelzgesponnenen Fasern aus einem elastischen Polymer.In one embodiment, it is provided that the damping threads are formed from synthetic fibers, for. Example, melt spun fibers made of an elastic polymer.
Bei einem Polymer zur Herstellung der Dämpfungsfäden kann es sich insbesondere um einen Thermoplasten wie z. B. Polyurethan, Polyamid etc. handeln.In a polymer for producing the damping threads may be in particular a thermoplastic such. As polyurethane, polyamide, etc. act.
Die Dämpfungsfäden können z. B. als ein Gespinst aus elastischen Fasern oder als ein Mischgespinst mit einem erheblichen Anteil an elastischen Fasern (z. B. mehr als 30%, insbesondere mehr als 50%) hergestellt sein.The damping threads can z. B. as a web of elastic fibers or as a mixed swirl with a significant proportion of elastic fibers (eg more than 30%, in particular more than 50%) to be made.
Die Dämpfungsfäden können z. B. als verzwirnte Garne ausgebildet sein, da verzwirnte Garne in der Regel elastischer als unverzwirnte Garne sind.The damping threads can z. B. be formed as a twisted yarns, as twisted yarns are usually more elastic than untwisted yarns.
Je nach Materialdichte und Menge der verwendeten Dämpfungsfäden kann sich die Masse eines erfindungsgemäß damit hergestellten Bauteils erhöhen, was jedoch dem angestrebten Vorteil einer Vibrationsdämpfung bzw. einer Schalldämmung zuträglich ist. Depending on the material density and amount of damping threads used, the mass of a component according to the invention thus produced may increase, but this is beneficial to the desired advantage of vibration damping or sound insulation.
Das Bauteil kann als tragendes oder nicht-tragendes Strukturbauteil einer technischen Einrichtung wie insbesondere z. B. eines Fahrzeuges (einschließlich Luftfahrzeuges) vorgesehen sein. Zur weiteren Erhöhung der Dämpfung kann das erfindungsgemäße Bauteil auch mit zusätzlich angebrachten (z. B. angeklebten) Dämpfungsmatten (z. B. aus Gummi, Latex etc.) bedampft werden.The component can be used as a structural or non-structural structural component of a technical device such as in particular z. B. a vehicle (including aircraft) may be provided. To further increase the damping, the component according to the invention can also be vapor-deposited with additionally attached (eg glued) damping mats (eg made of rubber, latex, etc.).
Insbesondere kann mit der Erfindung ein flächiges Bauteil, z. B. ein Paneel hergestellt werden. Damit sind insbesondere Bauteile gemeint, bei denen die Quadratwurzel der Bauteilfläche wenigstens 5 Mal, insbesondere mindestens 10 Mal so groß wie die Bauteildicke (bzw. gegebenenfalls gemittelte Bauteildicke) ist. In vielen Anwendungsfällen, etwa für Schallschutzpaneele in Luftfahrzeugen, kann die Bauteildicke im Bereich von 0,5 bis 3 cm, insbesondere im Bereich von 1 bis 1,5 cm liegen, und die Bauteilfläche z. B. größer als 1 m2 sein.In particular, with the invention, a planar component, for. B. a panel can be produced. This means in particular components in which the square root of the component surface at least 5 times, in particular at least 10 times as large as the component thickness (or, where appropriate, average component thickness) is. In many applications, such as for soundproofing panels in aircraft, the component thickness in the range of 0.5 to 3 cm, in particular in the range of 1 to 1.5 cm are, and the component surface z. B. be greater than 1 m 2 .
Insbesondere kann ein solches Paneel z. B. im Deckenbereich von Hubschrauberkabinen eingesetzt werden, da sich dort die Hauptlärmquellen (Motor und Getriebe) befinden.In particular, such a panel z. B. in the ceiling area of helicopter cabins are used, since there are the main noise sources (engine and transmission).
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in wenigstens einem Bauteilbereich Dämpfungsfäden vorhanden sind, wohingegen in wenigstens einem anderen Bauteilbereich keine bzw. ein wesentlich geringerer Anteil an Dämpfungsfäden vorgesehen sind. Dies trägt vorteilhaft dem Umstand Rechnung, dass die Entstehung wie auch die Ausbreitung von Vibrationen bzw. Schall in einer bestimmten Anwendungsumgebung des Bauteils im Allgemeinen nicht homogen bzw. isotrop stattfindet. Für eine effektive Dämpfung bei gleichzeitig möglichst geringer Beeinträchtigung der Bauteilfestigkeit kann gemäß dieser Weiterbildung somit eine lokale Anpassung der Faserverbundeigenschaften an den konkreten Anwendungsfall erfolgen.According to the invention, it is provided that damping threads are present in at least one component region, whereas in at least one other component region no or a significantly smaller proportion of damping threads are provided. This advantageously takes into account the fact that the formation as well as the propagation of vibrations or sound in a specific application environment of the component generally does not take place homogeneously or isotropically. For an effective damping while at the same time the least possible impairment of the component strength can thus be carried out according to this development, a local adaptation of fiber composite properties to the specific application.
So kann z. B. durch gezieltes Einbringen (z. B. Einflechten) von Dämpfungsfäden nur in einem oder mehreren Teilbereichen des Bauteils das dynamische Verhalten der Bauteilstruktur verändert bzw. optimiert werden.So z. B. by targeted introduction (eg., Weaving) of damping threads only in one or more portions of the component, the dynamic behavior of the component structure can be changed or optimized.
Bei einem flächigen Bauteil können Teilflächen des Bauteils mit den zusätzlichen bzw. die herkömmlichen Verstärkungsfäden ersetzenden Dämpfungsfäden eine örtlich höhere mechanische Impedanz in der Bauteilstruktur bewirken. Die an geeigneter Stelle vorgesehene höhere mechanische Impedanz kann z. B. dazu genutzt werden, eingeleitete Schwingungen bzw. Körperschall zu reflektieren und/oder die Weiterleitung zu kanalisieren oder zu erschweren.In the case of a planar component, partial surfaces of the component with the additional damping threads replacing the conventional reinforcing threads can bring about a locally higher mechanical impedance in the component structure. The appropriate provided at a higher mechanical impedance may, for. B. be used to reflect introduced vibrations or structure-borne noise and / or channeling or complicating the forwarding.
Die Teilfläche bzw. die Teilflächen, welche mit den Dämpfungsfäden versehen sind (oder mit einem wesentlich höheren Anteil an Dämpfungsfäden versehen sind), können Im Inneren einer Bauteilfläche und/oder unmittelbar am Rand der Bauteilfläche vorgesehen sein.The partial surface or the partial surfaces which are provided with the damping threads (or are provided with a significantly higher proportion of damping threads) may be provided inside a component surface and / or directly at the edge of the component surface.
Die Integration von Dämpfungsfäden im Randbereich von flächigen Bauteilen ist insbesondere auch deshalb interessant, weil in vielen Anwendungsfällen (z. B. Innenpaneele von Flugzeugen) solche Bauteile an deren Seitenrändern mit einer tragenden Struktur (z. B. so genannte Stringer und/oder Spanten eines Flugzeugrumpfes) verbunden werden. Wenngleich z. B. im Falle eines Innenpaneels eines Luftfahrzeuges eine derartige Verbindung mit der Hauptstruktur oftmals über so genannte ”Shockmounts”, Klettbänder oder dergleichen erfolgt, so kann ein gemäß der Erfindung im Randbereich mit Dämpfungsfäden ausgestattetes Paneel einen von der Hauptstruktur ausgehenden Eintrag schädlicher bzw. unerwünschter Schwingungen in das Paneel weiter erschweren. Der Effekt kann hier im Wesentlichen auch auf den erhöhten Impedanzsprung zurückzuführen sein. Bei Flugzeugen wird ein Luftschallpfad von der Flugzeugaußenstruktur über einen Luftzwischenraum zu einem Innenpaneel oftmals bereits mit schallabsorbierenden oder schalldämmenden Matten bekämpft wobei jedoch aufgrund der Anbindung der Paneelränder noch Potenzial für eine Körperschallübertragung gegeben ist. Derartige Körperschallpfade können jedoch durch eine erfindungsgemäße Ausbildung dämpfender Bauteilränder effizient behindert werden.The integration of damping threads in the edge region of flat components is also of particular interest because in many applications (eg interior panels of aircraft) such components are provided on their side edges with a supporting structure (eg so-called stringers and / or frames of a Fuselage). Although z. B. in the case of an inner panel of an aircraft, such a connection with the main structure is often done via so-called "shockmounts", Velcro or the like, then a according to the invention in the edge region equipped with damping threads panel an outgoing from the main structure entry harmful or unwanted vibrations further complicate in the panel. The effect here can essentially be attributed to the increased impedance jump. In the case of aircraft, an airborne sound path from the aircraft exterior structure via an air gap to an interior panel is often already combated with sound-absorbing or sound-insulating mats, but due to the connection of the panel edges there is still potential for structure-borne noise transmission. However, such structure-borne sound paths can be hindered efficiently by an inventive design of damping component edges.
Eine weitere Anwendung der oben beschriebenen Weiterbildung, gemäß derer die Dämpfungsfäden nur in bestimmten Bauteilbereichen vorgesehen sind bzw. in diesen Bereichen einen wesentlich höheren Anteil besitzen (z. B. mindestens doppelt so großer Anteil), ist die Bedämpfung modaler Eigenschwingungen des Bauteils, z. B. einer Platte. Hierfür kann die Integration der Dämpfungsfäden z. B. bevorzugt an den Schwingungsbäuchen bzw. den Schnellemaxima vorgesehen sein. Die Lage solcher Maxima in einem Bauteil bzw. auf einer Bauteilfläche eines Paneels kann z. B. bereits bei der Konstruktion ermittelt oder zumindest abgeschätzt werden (z. B. durch Finite-Elemente-Analysen). Alternativ oder zusätzlich könne solche Maxima oder andere geeignete Stellen in oder auf der Struktur experimentell ermittelt oder abgeschätzt werden (z. B. durch ortsaufgelöste Schwingungsmessungen).Another application of the development described above, according to which the damping threads are provided only in certain component areas or have a significantly higher proportion in these areas (eg, at least twice as large proportion), the damping of modal natural oscillations of the component, for. B. a plate. For this purpose, the integration of the damping threads z. B. preferably be provided on the antinodes or the fast maxima. The location of such maxima in a component or on a component surface of a panel can, for. B. are already determined during construction or at least estimated (eg by finite element analyzes). Alternatively or additionally, such maxima or other suitable locations in or on the structure may be determined experimentally or estimated (eg, by spatially resolved vibration measurements).
Das erfindungsgemäße Faserverbundmaterial kann die Dämpfungsfäden in einem einzigen textilen Flächengebilde oder verteilt über mehrere solcher textilen Flächengebilde aufweisen. Auch kann das Faserverbundmaterial eine Vielzahl von textilen Flächengebilden enthalten, von denen einige lediglich Verstärkungsfäden enthalten und andere zusätzlich oder ausschließlich Dämpfungsfäden enthalten. Schließlich kann die erfindungsgemäße Gestaltung des Faserverbundmaterials auch mit der eingangs erläuterten Maßnahme aus dem Stand der Technik kombiniert werden, bei welcher das Faserverbundmaterial bzw. ein daraus gebildetes Bauteil mit wenigstens einem nachträglich aufgebrachten Dämpfungsbelag (z. B. aus einem vulkanisierten Polymer wie Gummi, Latex etc.) versehen ist. The fiber composite material according to the invention can have the damping threads in a single textile fabric or distributed over a plurality of such textile fabrics. Also, the fiber composite material may include a plurality of fabrics, some of which contain only reinforcing yarns and others contain additional or exclusive damping yarns. Finally, the design according to the invention of the fiber composite material can also be combined with the measure of the prior art described in which the fiber composite material or a component formed therefrom with at least one subsequently applied damping coating (eg made of a vulcanized polymer such as rubber, latex etc.) is provided.
Gemäß einer Ausführungsform des Bauteils besitzt dieses wenigstens eine, entlang des textilen Flächengebildes sich flächig erstreckende Dämpfungsschicht, Eine solche Dämpfungsschicht kann z. B. zwischen zwei mit Dämpfungsfäden ausgebildeten textilen Flächengebilden zwischengefügt sein. Insbesondere ist eine Kombination aus wenigstens einer eingelagerten vollflächigen dämpfenden Zwischenschicht, welche herkömmliche Verstärkungsfasern jedoch ein besonders dämpfend gewähltes Matrixmaterial enthält (wie z. B. in dem eingangs erwähnten Fachartikel beschrieben), und der hier erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gestaltung wenigstens eines textilen Flächengebildes denkbar. Die sich flächig erstreckende Dämpfungsschicht kann alternativ oder zusätzlich auch eine äußere Schicht (Decklage) des Bauteils bilden.According to one embodiment of the component, this has at least one, along the textile fabric area extending damping layer, Such a damping layer can, for. B. be interposed between two formed with damping threads fabric. In particular, a combination of at least one incorporated full-surface damping intermediate layer, which conventional reinforcing fibers, however, contains a particularly dampening selected matrix material (as described for example in the above-mentioned technical article), and the design of at least one textile fabric proposed here according to the invention conceivable. The areally extending damping layer may alternatively or additionally also form an outer layer (cover layer) of the component.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Herstellung des Bauteils ein transparentes Matrixmaterial verwendet wird und wenigstens ein Teil der Dämpfungsfäden, insbesondere sämtliche Dämpfungsfäden eine andere Farbe besitzen oder andersfarbig eingefärbt sind als die im selben textilen Flächengebilde verwendeten Verstärkungsfäden. Damit ergibt sich eine besondere visuelle Gestaltung des Faserverbundmaterials bzw. des damit hergestellten Bauteils. Andersfarbige bzw. geeignet eingefärbte Dämpfungsfäden können somit zu Designzwecken oder z. B. auch zur Markierung sicherheitsrelevanter Bereiche von Bauteilen vorgesehen sein.According to a further development, it is provided that a transparent matrix material is used for the production of the component and at least a part of the damping threads, in particular all damping threads have a different color or are colored differently colored than the reinforcing threads used in the same textile fabric. This results in a special visual design of the fiber composite material or of the component produced therewith. Other colored or suitably colored damping threads can thus for design purposes or z. B. also be provided for marking safety-related areas of components.
In einer Weiterbildung des Faserverbundmaterials ist vorgesehen, dass zusätzlich die innere Dämpfung des Materials weiter dadurch erhöht wird, dass ein so genannter Weichmacher in das betreffende Matrixsystem (z. B. Epoxidharzsystem) zugegeben wird. Der Weichmacher wird in das Trägerharz eingebaut. Der dadurch erzeugte Matrixwerkstoff besitzt eine höhere Dehnfähigkeit d. h. die Bruchdehnung wird erhöht. Im Rahmen der Erfindung ergibt sich damit auch eine weitere Verbesserung der mechanischen Dämpfungseigenschaften des Faserverbundmaterials bzw. des damit hergestellten Bauteils. Insbesondere kann ein Mischungsverhältnis zwischen Harz und Weichmacher (Flexibilisator) so gewählt werden, dass es zu einer merkbaren Erhöhung der Dämpfung ohne nennenswerte Einbußen von Festigkeit und z. B. Wärmebeständigkeit kommt.In a further development of the fiber composite material, it is provided that, in addition, the internal damping of the material is further increased by adding a so-called plasticizer into the relevant matrix system (eg epoxy resin system). The plasticizer is incorporated into the carrier resin. The matrix material produced thereby has a higher extensibility d. H. the elongation at break is increased. In the context of the invention, this also results in a further improvement of the mechanical damping properties of the fiber composite material or of the component produced therewith. In particular, a mixing ratio between resin and plasticizer (flexibilizer) can be chosen so that there is a noticeable increase in damping without significant loss of strength and z. B. Heat resistance comes.
Das in dem erfindungsgemäßen Bauteil verwendete Faserverbundmaterial kann sowohl für monolithische Bauteile, insbesondere flächige Bauteile, als auch für einzelne Schichten einer aus einer Mehrzahl von Schichten bestehenden Faserverbundstruktur verwendet werden.The fiber composite material used in the component according to the invention can be used both for monolithic components, in particular planar components, as well as for individual layers of a fiber composite structure consisting of a plurality of layers.
So kann z. B. ein erfindungsgemäßes Bauteil in Sandwichbauweise hergestellt werden, wobei wenigstens eine Bauteilschicht aus einem Faserverbundmaterial der oben beschriebenen Art gebildet ist. Bei einer Sandwichbauweise im engeren Sinne, d. h. mit drei Schichten, kann das oben beschriebenen Faserverbundmaterial z. B. wenigstens eine der beiden Deckschichten ausbilden.So z. B. an inventive component are manufactured in sandwich construction, wherein at least one component layer is formed of a fiber composite material of the type described above. In a sandwich construction in the strict sense, d. H. with three layers, the fiber composite material described above z. B. form at least one of the two cover layers.
Aus dem Stand der Technik sind in Sandwichbauweise hergestellte flächige Bauteile bekannt bei denen eine aus vorgetränktem (Phenolharz) Papier hergestellte mittlere Wabenstruktur beiderseits mit flächigen CFK bzw. GFK Deckschichten zusammengefügt und mit einem auszuhärtenden Matrixmaterial getränkt wird.From the state of the art, sheet-like components produced in sandwich construction are known in which a honeycomb structure produced from pre-soaked (phenolic resin) paper is combined on both sides with flat CFK or GFK cover layers and impregnated with a matrix material to be cured.
Gemäß der Erfindung kann ein derartiges Sandwichbauteil vorgesehen sein, bei welchem wenigstens eine der herkömmlichen Deckschichten durch ein Faserverbundmaterial der oben beschriebenen Art, also Dämpfungsfäden enthaltend, ersetzt ist. Damit kann die vorteilhaft hohe spezifische Festigkeit einer derartigen Wabenstruktur mit einer Erhöhung der Dämpfungseigenschaften (insbesondere hinsichtlich Vibrationen und Schall) kombiniert werden.According to the invention, such a sandwich component can be provided in which at least one of the conventional cover layers is replaced by a fiber composite material of the type described above, that is to say damping threads. Thus, the advantageously high specific strength of such a honeycomb structure can be combined with an increase in the damping properties (in particular with regard to vibrations and sound).
Gemäß einer Weiterbildung eines derart modifizierten Sandwichbauteils mit Wabenkern ist vorgesehen, dass der Wabenkern und wenigstens eine der beiden Deckschichten separat voneinander ausgehärtet werden und erst nach erfolgter Aushärtung mittels eines dauerelastischen Klebers verbunden werden. Beispielsweise kommt hierfür ein geeignet formulierter Epoxidharzklebefilm oder ein elastischer Silikonkleber in Betracht.According to a development of such a modified sandwich component with honeycomb core is provided that the honeycomb core and at least one of the two outer layers are cured separately and are connected only after curing by means of a permanently elastic adhesive. For example, this is a suitably formulated epoxy adhesive film or an elastic silicone adhesive into consideration.
In praktischen Versuchen hat sich gezeigt dass durch eine derartige elastische Entkoppelung wenigstens einer Deckschicht gegenüber dem Wabenkern die Schalldämmung einer Sandwichplatte erheblich verbessert werden kann. Dies beruht wohl darauf, dass mit dem elastischen Kleber eine elastische Schicht etabliert wird, die einerseits eine mechanische Anbindung der betreffenden Deckschicht bzw. beider Deckschichten an den Wabenkern bewerkstelligt, zusätzlich aber das Gesamtsystem (Sandwichplatte) auf Grund der elastischen Eigenschaft des Klebers stärker als üblich bedämpft bzw. schwingungstechnisch entkoppelt.In practical experiments it has been shown that by such elastic decoupling at least one cover layer relative to the honeycomb core, the sound insulation of a sandwich panel can be significantly improved. This is probably due to the fact that with the elastic adhesive, an elastic layer is established, on the one hand a mechanical connection of the relevant cover layer or both cover layers done on the honeycomb core, but additionally the overall system (sandwich panel) damped due to the elastic property of the adhesive stronger than usual or decoupled vibrationally.
Als hierfür geeignete elastische Schicht zwischen dem Wabenkern und wenigstens einer Deckschicht kann z. B. ein Silikonklebstoff der Art verwendet werden, wie dieser unter dem Handelsnamen ”Naftoseal MC-780” kommerziell erhältlich ist. Im Stand der Technik wird dieser Klebstoff in der Regel zum Abdichten verwendet. Der Kleber sollte elastisch bleiben, um Wabe und Deckschicht zu entkoppeln. Dies wird typischerweise durch vernetzte, hochdehnfähige (ε >> 10%) Klebstoffe auf Elastomer-Basis erzielt.As this suitable elastic layer between the honeycomb core and at least one cover layer can, for. For example, a silicone adhesive of the type commercially available under the trade name "Naftoseal MC-780" can be used. In the prior art, this adhesive is usually used for sealing. The adhesive should remain elastic to decouple the honeycomb and topcoat. This is typically achieved by cross-linked, high-elasticity (ε >> 10%) elastomer-based adhesives.
Zur Herstellung eines derartigen Sandwichbauteils kann z. B. wie folgt vorgegangen werden: Zunächst wird auf einem ebenen Feld eine Kleberschicht ausgebildet, z. B. indem der Kleber, z. B. mit einer Spachtel, auf dem Feld verstrichen wird. Sodann wird der (bevorzugt bereits ausgehärtete oder zumindest teilausgehärtete) Wabenkern mit einer seiner Flachseiten in das Kleberfeld gedrückt, so dass die Wabenstruktur an den entsprechenden Kontaktlinien mit dem Kleber benetzt wird. Gegebenenfalls wird mit der zweiten Flachseite des Wabenkerns genauso verfahren (falls diese nicht in andere Weise, z. B. mittels ”Co-Bonding”, anzubinden ist oder bereits angebunden ist). Die (bevorzugt wieder bereits zumindest teilausgehärtete) Decklage aus Faserverbundmaterial kann dann mit relativ geringem Druck auf die mit Kleber benetzte Flachseite des Wabenkerns gedrückt und z. B. Im Autoklaven durch thermische Behandlung mit dem Wabenkern verbunden werden. Die Menge des an dem Wabenkern aufgebrachten elastischen Klebers kann z. B. durch entsprechende Ausbildung des oben genannten Kleberfeldes eingestellt werden (z. B. durch entsprechende Wahl der Form und Höhe einer zum Verstreichen verwendeten Zahnspachtel).For the preparation of such a sandwich component can, for. B. proceed as follows: First, an adhesive layer is formed on a flat field, for. B. by the adhesive, z. B. with a spatula, is passed on the field. Then the (preferably already cured or at least partially cured) honeycomb core is pressed with one of its flat sides in the adhesive field, so that the honeycomb structure is wetted at the corresponding contact lines with the adhesive. If appropriate, the same procedure is followed with the second flat side of the honeycomb core (if this is not to be connected in another way, eg by means of "co-bonding", or is already connected). The (preferably already at least partially cured) cover layer made of fiber composite material can then be pressed with relatively low pressure on the wetted with adhesive flat side of the honeycomb core and z. B. Be connected in the autoclave by thermal treatment with the honeycomb core. The amount of applied to the honeycomb core elastic adhesive may, for. B. be adjusted by appropriate training of the above adhesive field (eg., By appropriate choice of the shape and height of a tooth spatula used for spreading).
Bei der Herstellung eines für die Erfindung benötigten textilen Flächengebildes enthaltend Dämpfungsfäden, welche bevorzugt eine erhöhte Elastizität und/oder eine viskose oder viskoelastische Eigenschaft besitzen, können beim Einbringen (z. B. Einflechten) der Dämpfungsfäden praktische Schwierigkeiten entstehen, die insbesondere durch eine höhere Reibung und die eventuelle Elastizität bedingt sind.In the production of a textile fabric required for the invention, comprising damping threads, which preferably have increased elasticity and / or a viscous or viscoelastic property, practical difficulties may arise during introduction (eg braiding) of the damping threads, in particular due to higher friction and the eventual elasticity are conditional.
Um derartige Schwierigkeiten zu vermeiden, kann ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Flächengebildes für die Herstellung eines Faserverbundmaterials der oben beschriebenen Art verwendet werden.In order to avoid such difficulties, a method for producing a fabric for the production of a fiber composite material of the type described above may be used.
Das nicht erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Arten von textilen Liniengebilden, die sich in ihrem mechanischen Dämpfungsvermögen voneinander unterscheiden, zu dem textilen Flächengebilde verwoben oder verflochten werden, wobei die das erhöhte Dämpfungsvermögen besitzenden Liniengebilde vor dem Verweben bzw. Verflechten einer reibungsmindernden Vorbehandlung unterzogen werden. Alternativ oder zusätzlich zu der reibungsmindernden Vorbehandlung kann auch vorgesehen sein, dass beim Webvorgang bzw. Flechtvorgang jedes das erhöhte Dämpfungsvermögen besitzende Liniengebilde, also jeder „Dämpfungsfaden”, nicht als solcher sondern stets mit einem parallel (unmittelbar daneben verlaufenden) „Verstärkungsfaden” dem betreffenden Vorgang zugeführt wird.The manufacturing method not according to the invention is characterized in that at least two types of textile line structures which differ in their mechanical damping capacity are interwoven or intertwined, wherein the line structures having the increased damping capacity have a friction-reducing pretreatment prior to interweaving be subjected. As an alternative or in addition to the friction-reducing pretreatment, it can also be provided that during the weaving or braiding process, any line structure possessing the increased damping capacity, ie any "damping thread", not always as such but always with a "reinforcing thread" parallel to it (immediately adjacent thereto) is supplied.
Mit dem nicht erfindungsgemäßen Verfahren kann z. B. im Augenblick eines Einflechtens oder Einwebens der Dämpfungsfäden sichergestellt werden, dass der Flecht- bzw. Webvorgang unproblematisch verläuft.With the non-inventive method can, for. B. at the moment of braiding or weaving the damping threads are ensured that the braiding or weaving process is unproblematic.
Ais reibungsmindernde Vorbehandlung kann z. B. eine Vorbehandlung durch eine hierfür geeignete Flüssigkeit oder ein Pulver vorgesehen sein. Beispielsweise können der oder die bei der Herstellung des textilen Flächengebildes verwendeten Dämpfungsfäden bei ihrem Zulauf in eine betreffende Flecht- bzw. Webstation durch ein entsprechendes Flüssigkeitsbad bzw. Pulverbad (z. B. Talkumpulver, Graphit, Wachs) hindurchgeführt werden.As a friction-reducing pretreatment z. B. may be provided by a suitable liquid or a powder pretreatment. For example, the damping threads used in the manufacture of the textile fabric can be passed through a corresponding liquid bath or powder bath (eg talcum powder, graphite, wax) as they are fed into a respective braiding or weaving station.
Die derart hergestellten Bauteile können vielseitig verwendet werden.The components produced in this way can be used in many ways.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Verwendung als Innenraumpaneel eines Fahrzeuges, insbesondere Luftfahrzeuges (z. B. Flugzeug oder Hubschrauber) vorgesehen. Alternativ kommt auch eine Verwendung als so genanntes Hautfeld in Betracht.According to a preferred embodiment, use is provided as an interior space panel of a vehicle, in particular an aircraft (eg aircraft or helicopter). Alternatively, a use as a so-called skin field is also considered.
Vorteilhaft ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik für vorgegebene Dämpfungseigenschaften eine geringere Bauhöhe derartiger Paneele, wobei oftmals auf einen zusätzlichen Dämpfungsbelag verzichtet werden kann. Wie oben bereits erwähnt, spart die gemäß der Erfindung vorgesehene integrative Lösung mit eingearbeiteten (z. B. eingeflochtenen oder eingewobenen) Dämpfungsfäden die arbeitsintensiven Fertigungsschritte eines Zuschneidens und Aufklebens dämpfender Zusatzbeläge.Advantageously results in comparison to the prior art for predetermined damping properties a lower height of such panels, often can be dispensed with an additional damping lining. As already mentioned above, the integrative solution provided with incorporated (eg braided or woven in) damping threads according to the invention saves the labor-intensive production steps of cutting and pasting damping additional coverings.
Die geringere Bauhöhe von vibrations- und/oder schalldämmenden Paneelen kann z. B. für die Anwendung von Deckenpaneelen in Hubschrauberkabinen vorteilhaft ausgenutzt werden. In diesem Anwendungsfall ist die Höhe eines für das Paneel zur Verfügung stehenden Bauraumes oftmals auf 2 cm oder weniger als 1,5 cm beschränkt.The lower height of vibration and / or sound-absorbing panels can, for. B. be advantageously exploited for the application of ceiling panels in helicopter cabins. In this case, the height is one for the panel Available space is often limited to 2 cm or less than 1.5 cm.
Die Verwendung erfindungsgemäß hergestellter Paneele als Kabinenverkleidung, insbesondere Kabinendeckenpaneel, schafft bei vorgegebener Paneeldicke eine Verbesserung der Schalldämmung.The use of panels produced according to the invention as a cabin lining, in particular a cabin ceiling panel, creates an improvement in the sound insulation for a given panel thickness.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:The invention will be further described by means of embodiments with reference to the accompanying drawings. They show:
Zur Herstellung des Faserverbundmaterials bzw. Faserverbundbauteils wird das in
Die textilen Liniengebilde
Die textilen Liniengebilde
Die Verstärkungsfäden
Die Dämpfungsfäden
Das mit einer oder mehreren Lagen des Flächengebildes
Ganz allgemein eignen sich zur Bildung der Dämpfungsfäden
Bei dem in
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.In the following description of further embodiments, the same reference numerals are used for equivalent components, each supplemented by a small letter to distinguish the embodiment. In this case, essentially only the differences from the embodiment (s) already described are discussed and, moreover, reference is hereby explicitly made to the description of previous exemplary embodiments.
In diesen Teilbereichen
Die Teilbereiche
Mit der in
Bei dem in
Eine derartige Vibrationsdämpfung am Rand des Bauteils
Abweichend von den Beispielen gemäß der
Wenigstens eine der Deckschichten
Die Schnittansicht von
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Schichten
Die Kleberschichten
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Representative=s name: ISARPATENT - PATENTANWAELTE- UND RECHTSANWAELT, DE Effective date: 20130320 Representative=s name: ISARPATENT - PATENTANWAELTE- UND RECHTSANWAELT, DE Effective date: 20140819 Representative=s name: ROOS, PETER, DIPL.-PHYS.UNIV. DR.RER.NAT., DE Effective date: 20130320 Representative=s name: ROOS, PETER, DIPL.-PHYS.UNIV. DR.RER.NAT., DE Effective date: 20140819 |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: ISARPATENT - PATENT- UND RECHTSANWAELTE BEHNIS, DE Representative=s name: ISARPATENT - PATENT- UND RECHTSANWAELTE BARTH , DE Representative=s name: ISARPATENT - PATENTANWAELTE- UND RECHTSANWAELT, DE |
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |